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根系分泌物研究現(xiàn)狀及趨勢
——基于CiteSpace的知識圖譜分析

2022-07-29 06:47:50程云龍荊慶芳
江蘇農業(yè)科學 2022年14期
關鍵詞:選擇

張 楊, 朱 林, 程云龍, 荊慶芳, 蘭 艷

(1.寧夏大學生態(tài)環(huán)境學院/西北土地退化與生態(tài)恢復國家重點實驗室培育基地,寧夏銀川 750021;2.甘肅省分析測試中心,甘肅蘭州 730000; 3.寧夏大學農學院,寧夏銀川 750021)

根系分泌物是植物根系向根際土壤環(huán)境釋放的有機物質的總稱,它決定植物與土壤環(huán)境相互作用的重要過程,可以顯著改變根-土界面物理、化學和生物學特性,也是保持根際微生態(tài)系統(tǒng)活力的關鍵因素,還是根際物質循環(huán)的重要組成部分。18、19世紀,Plenk等發(fā)現(xiàn)根系分泌物對鄰近植株有促生和抑制作用。由于植物自身特性根系分泌物不僅在不同種屬植物間存在顯著差異,且同種植物在不同的生長發(fā)育時期或生長環(huán)境下,根系分泌物組成和含量也會發(fā)生改變。當植物受光照、溫度、土壤鹽堿性、營養(yǎng)狀況等脅迫條件下,根系分泌物的種類和數量在很大程度上體現(xiàn)出差異。根際微生物也是影響根系分泌物的一個因素。根系分泌物是根際微生物營養(yǎng)物質的主要來源,外界環(huán)境因素改變導致根系分泌物組成發(fā)生變化從而會影響根際微生物類群的結構。反之,根際微生物類群的變化又對植物根系分泌物的組成和含量產生影響。直到20世紀50年代,Uselman等開始認識到根系分泌物與固氮菌的互利關系時,此領域的研究才日益被人們重視起來。此后對根系分泌物的研究逐漸展開,由于當時測試手段和試驗條件的限制,起初有關分泌物研究方法的進展非常緩慢,而隨著分析測試技術、生物技術以及顯微技術的廣泛應用,促使根系分泌物的研究發(fā)展迅速。由于傳統(tǒng)文獻無法全方面清晰地理清學科的發(fā)展動態(tài),且現(xiàn)有基于文獻計量角度在根系分泌物領域中的分析相對較少。因此,本研究基于2001—2021年Web of Science(WOS)核心文獻數據庫以及CNKI(中國知網)數據庫收錄的根系分泌物中英文文獻,以陳超美博士所研發(fā)的文獻信息可視化分析軟件CiteSpace為研究工具,針對根系分泌物研究領域的工作進行文獻計量初步分析,歸納目前該領域的研究現(xiàn)狀,以明晰其研究主題、發(fā)展歷程,追蹤研究熱點及趨勢,以期為該領域科技工作者提供參考,同時也啟發(fā)實際應用研究找到切入點。

1 研究方法及數據來源

科學知識圖譜是以知識域為對象,展示科學知識發(fā)展進程與結構關系的一種可視化的知識圖形,通過融合關鍵詞等知識單元的不同節(jié)點,經過內部算法篩選后進行呈現(xiàn)展示知識群之間的網絡、結構、演化等復雜關系。CiteSpace是一個免費的工具,由美國德雷塞爾大學陳超美教授開發(fā),用于對一個科學領域的發(fā)展進行交互式和探索性分析,范圍從一個專業(yè)到多個相關的科學前沿。將CiteSpace應用于本研究的數據處理,以交互式視覺功能分析展示根系分泌物的研究現(xiàn)狀、研究熱點和趨勢。

文獻數據主要來自中國期刊全文數據庫CNKI和Web of Science(WOS)數據庫,數據檢索采集于2021年6月30日。其中中文文獻數據選自CNKI數據庫,包括學術期刊、學位論文和會議論文。在高級檢索模式下主題詞為“根系分泌物”,選取網絡首發(fā)、增強出版、基金文獻、中英文擴展,時間范圍為2001年1月1日至2021年6月30日,共檢索到1 292篇文獻,將其以refworks格式導出,數據信息包括作者、摘要、關鍵詞等。選擇CiteSpace“keyword”進行關鍵詞聚類共現(xiàn)分析,并生成可視化圖譜。另外CiteSpace軟件暫不能對CNKI數據庫導出信息進行共被引聚類分析,故不作分析。外文數據選自WOS數據庫核心合集,索引:SCI-EXPANDED、SSCI、A&HCL、CPCI-S、CPCI-SSH、ESCI、CCR-EXPANDED、IC,檢索主題為TS=(“root exudation”),時間跨度為2001—2021年,共檢索到1 102篇文獻。在CiteSpace中選擇“keywords”進行關鍵詞聚類共現(xiàn)分析、選擇“reference”進行共被引聚類分析,并生成可視化圖譜。

2 國內根系分泌物研究進展

2.1 文獻計量分析

基于CNKI檢索的數據計量分析,得到根系分泌物主題相關文獻發(fā)表年度趨勢圖,可見根系分泌物基礎研究與應用技術呈現(xiàn)波動式逐漸攀升的態(tài)勢(圖1)。從發(fā)展趨勢結果來看,2001—2021年根系分泌物的研究可分為3個發(fā)展階段。2001—2007年發(fā)文量逐漸上升,2005年約是2001年的3倍,可見這5年相關研究逐漸變熱。而2006年較2005年有所回落,且2007沒有相關論文發(fā)表。經過2年的研究熱度回落,研究者又發(fā)現(xiàn)根系分泌物研究的諸多科學問題,也意識到其應用前景。因此,2008—2016年發(fā)文量遞增到2016年114篇的峰值,這9年間根系分泌物的研究發(fā)展平穩(wěn)迅速,為后期研究工作積累了許多基礎和經驗。2017—2021年6月末發(fā)文數量的變化趨勢呈“S”形,稍有波動,由于根系分泌物的研究涉及多個交叉學科,且收集和提取過程繁瑣,分析時需要用到多種大型儀器,因此獲取數據受到限制,這可能是不穩(wěn)定波動的因素之一。然而根系分泌物依舊有諸多問題需要探索,未來的相關研究仍會回暖遞增。

依據CNKI數據庫文獻學科類別統(tǒng)計分析見表1,可見前10位中發(fā)文數量最多的是農作物類,占比達21.68%,其后是園藝和農業(yè)基礎科學,占比分別為15.13%、12.84%,生物學、植物保護、農藝學3類學科占比接近,表明國內學者對根系分泌物的熱點研究主要集中在農學和農作物應用上。而環(huán)境科學與資源利用、林業(yè)、自然地理學和測繪學方向的文獻占比較小,反映國內學者在這3類學科中根系分泌物的相關研究較少,他們更傾向于將著力點放在根系分泌物對農業(yè)生產的提高和對植物的影響。最少的學科類別是化學,僅占0.48%,未來在分析化學或植物化學角度出發(fā)對根系分泌物進行探索,將會為其提供更多研究途徑和思路。

表1 根系分泌物研究學科類別信息

2.2 關鍵詞分析

2.2.1 關鍵詞研究熱點共現(xiàn)分析 由圖2、表2、表3可知,從農業(yè)種植模式看,不同作物研究一直是國內根系分泌物關注的重點,而與根系分泌物緊密相關的根際效應、化感作用、土壤環(huán)境等方向的研究僅在2001—2007年表現(xiàn)出熱度。2008—2016年,各類蔬菜瓜果以及農作物研究依舊突顯,而微生物、根際土壤、化學成分等根系分泌物交叉學科多點爆發(fā),可以說是百花齊放。2017—2021年,王亞君等開始重視種植模式和根系分泌物的關系,以及土壤化學、生物學、微生物學與根系分泌物的交叉學科問題。從關鍵詞熱點來看,農業(yè)科學研究總體占比較大,而與之相聯(lián)系的土壤化學、植物化學、生物學研究頻次和突發(fā)強度都表現(xiàn)較弱。雖然根系分泌物的研究在我國不斷發(fā)展,但仍應繼續(xù)在多學科交叉領域尋找新的突破點和應用方向。

表2 不同時期高頻和具有中心性的關鍵詞信息

表3 突發(fā)性關鍵詞信息

2.2.2 關鍵詞聚類分析 用中文文獻關鍵詞聚類分析(表4)和聚類時間線可視化展示(圖3)得到10類較明顯的聚類信息,其中節(jié)點數569,連線702條。值=0.884 1(值值域為[0,1],>0.3則表示可視化結構顯著),平均輪廓值=0.9714(>0.5則表示聚類結果可信),輪廓值是衡量一個聚類內成員相似度的指標,數值越大,代表聚類成員具有較高的同質性。由表4可知,#0(根系分泌物)和#1(茄子)聚類大小相近,主要討論了包含關鍵詞根系分泌物、茄子的相關研究,以及種植方式、土壤和微生物群落之間的關系。由圖3可知,2001年#0聚類開始出現(xiàn)且當年的研究成果較多,此后該聚類關注度平穩(wěn)并一直持續(xù)到2021年,表明該領域的學者一直在堅持探索,但突破性進展較小。#1聚類剛開始出現(xiàn)時關注度趨冷,直到2009年表現(xiàn)出熱度,此后都有研究持續(xù)關注,推測學者們在茄子等農業(yè)種植中發(fā)現(xiàn)了應用前景。#2(化感作用)、#3(外生菌根)、#4(有機氯農藥)、#5(間作)這4項聚類大小相近,主要討論植物化感作用與土壤微生物,土壤化學性質,交互作用和種植方式之間的科學問題。由圖3可知,#2、#3聚類在2001年出現(xiàn)時成果明顯,2003、2004年相關研究也有熱度顯現(xiàn),至今化感作用關注度平穩(wěn)而外生菌根趨冷。#4聚類自2001年出現(xiàn)以來表現(xiàn)短暫熱度此后關注度明顯降低。#5聚類在2003年開始有一小部分成果直到2014年成果才表現(xiàn)突出,說明關注度在增加,研究成果也在提升。#2~#5聚類充分展現(xiàn)了我國科研工作者研究思路的廣泛和領域間的交叉。#6(大豆)、#7(煙草)、#8(有機酸)、#9(小麥)等4項聚類大小相近,討論不同農作物根系生理特性與微生物以及根系分泌物有機酸之間的相互作用,學者們試圖通過不同途徑揭示機理機制,同時也希望能有生物方面的應用。由圖3還可知,#8聚類開始出現(xiàn)時間最早,成果也在一開始表現(xiàn)突出,之后關注度逐漸趨冷。#6、#7、#9等3項聚類分別在2004、2006、2011年開始時成果較小,而關注度至今穩(wěn)定。因此,可以在有應用價值的植物中繼續(xù)跟進研究根系分泌物組成、含量和分子機理等科學問題,有助于闡明根系分泌物與土壤、根際微生物之間的互饋作用,以便為根系分泌物應用奠定理論基礎。

表4 關鍵詞聚類信息

3 國際根系分泌物研究進展

3.1 文獻計量分析

基于WOS導出數據的計量分析,得到年發(fā)文數量變化趨勢(圖4),可見國外root exudation應用與研究呈現(xiàn)穩(wěn)定的波動式攀升態(tài)勢。從發(fā)展趨勢來看,2001—2021年root exudation的研究可劃分為3個時段來分析。2001—2009年每年發(fā)文數量基本保持平穩(wěn),可以看作國外學者們在進行不同領域的探索。2010—2015年,個別年份發(fā)文數量略有回落,整體趨勢降低,預示著研究有轉折可能遇到了新的問題。進入2016—2021年6月末發(fā)文量大量增加,從轉折點變?yōu)樵鲩L趨勢,研究成果較多,有了前期研究基礎的鋪墊和分析檢測技術進步,推動了后期研究的迅速成長,使研究進入快速發(fā)展期。

由表5可知,發(fā)文數量較多的是agriculture、plant sciences和environmental sciences ecology,前三名學科類別交叉聯(lián)系緊密,這與root exudation研究初衷是相同的,就是利用root exudation的各類指標更全面地分析農業(yè)、植物與生態(tài)環(huán)境之間的關系,以及幫助提升農業(yè)產量和經濟的增長。之后,隨著國外學者對root exudation研究關注度不斷攀升,交叉學科研究不斷深入,微生物學(microbiology)、生物化學與分子生物學(biochemistry molecular biology)、科學技術其他主題(science technology other topics)、化學(chemistry)等領域中與root exudation研究聯(lián)系緊密的也逐步增多,側面反映root exudation研究角度多樣、基礎和應用問題廣泛、有趣。

表5 root exudation研究領域學科類別信息

3.2 關鍵詞分析

3.2.1 關鍵詞研究熱點共現(xiàn)分析 由圖5、表6、表7可知,root exudation研究發(fā)展21年來,以根系分泌物、農作物、微生物群落為主要研究方向,而土壤化學、生態(tài)學以及逆境脅迫影響是其相關的交叉研究內容。2001—2009年研究主要圍繞根系分泌物、植物、土壤、微生物等,根系分泌物(root exudation)、植物(plant)、土壤(soil)等與root exudation本身緊密相關的關鍵詞出現(xiàn)頻次較高;其次是有機酸(organic acid)、微生物群落(microbial community)、累積(accumulation)這些則反映了root exudation研究的主要指標或內容,即通過簡單直觀的研究內容分析其與植物、微生物、生態(tài)之間的關系和作用,為農業(yè)應用提供指導。最后,一些植物和生態(tài)的基礎研究方向逐漸開展起來。如微生物(microorganism)、玉米(maize)、CO增加(elevated CO)、擬南芥( arabidopsis thaliana)、落葉層(leaf litter )、氣候變化(climate change)等。 2010—2015年,國際學者開始集中在植物生長(plant growth)、微生物群落結構(microbial community structure)、酶活性(enzyme activity)、植物根際促生細菌(growth promoting rhizobacteria)等微觀生物學領域,并積極探索root exudation應用,以便利用微生物與植物根際的互利作用來提升植物自身生長,服務農業(yè)生產,同時可以從微生物這條研究途徑對root exudation的分泌機制做出闡述。2016—2021年,學者們開始在氮有效性,干旱,誘導系統(tǒng)抗性等植物耐逆性和植物化學相關的領域進行探究root exudation在植物生理或植物化學中的作用。值得注意的是,在12類突現(xiàn)詞中,玉米(L.)、黑麥草()、微生物群落(microbial community)、叢根群(cluster root)、pH值、鐵(iron)等均與植物以及微生物有關,突現(xiàn)時間長,為長時熱點,反映了root exudation研究的集中方向。此外,從突現(xiàn)時間短的突發(fā)詞可以發(fā)現(xiàn),對于root exudation研究也在經歷著一個不斷深化、細致的挖掘過程,反映了該研究仍存在眾多科學問題有待發(fā)現(xiàn)和闡明(表7)。

表6 不同時期高頻和具有中心性的關鍵詞信息

表7 突發(fā)性關鍵詞信息

3.2.2 關鍵詞聚類分析 將WOS數據集進行關鍵詞聚類分析(表8),其中節(jié)點數593,連線1 183條。值=0.721 2(值值域為[0,1],>0.3則表示可視化結構顯著),平均輪廓值=0.855 6(>0.5則表示聚類結果可信)。通過聚類大小及同質性強弱,能夠回顧研究領域的基礎內容,找到研究領域的高支撐方向;結合時間線可視化(time-line view)圖譜(圖 6)能夠分析學科領域研究方向轉移的時間演化路徑,為進一步在高支撐方向內尋找更多的應用可能性提供幫助。聚類大小越大,表明聚類文獻數量越多,側面反映該方向已有研究支撐性高(表8);節(jié)點面積越大,表明該關鍵詞中心程度高(圖6)。綜合分析表8和圖6可知,聚類程度較大的分類為#0 根際沉積(rhizodeposition)、#1碳(carbon)、#2根系分泌物(root exudation)以及#3抵抗力(resistance),這3類的共同特點圍繞根際土壤碳、磷等理化性質與分泌物氨基酸、有機酸等的作用與關系展開研究,時間尺度上關注度持續(xù)較長,屬于root exudation與土壤的研究和應用。其中0#聚類rhizodepositio除了2001年,在2005年和2006年都有較高的研究支撐性,表明未來仍具有穩(wěn)定的研究前景。第二部分是#4落葉(defoliation)、#5叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza)、#6分解作用(decomposition),這三類聚類程度中等,均有很重要的核心關鍵詞,包括二氧化碳(carbon dioxide)、呼吸作用(respiration)、根系分泌物(root exudation)、有機酸(organic acids)、土壤呼吸(soil respiration),表明它們在土壤生態(tài)學中也有研究的意義。其中#5 叢枝菌根(arbuscular mycorrhiza)起步相對其他聚類較晚,研究熱度從2006年持續(xù)至2019年,之后研究較少,有一部分原因可能是研究周期長。然后是#7化感作用(allelopathy)、#8土壤溶液(soil solution)、#9凝膠電泳(dgge)、#10有機質分解(organic matter decomposition),這些聚類的特點是研究細化且深入,是交叉學科難點,技術前沿應用廣泛的領域,#7 allelopathy連續(xù)多年有持續(xù)關注度,至今也是root exudation相關研究的熱點方向。隨著研究進程的不斷發(fā)展,很有可能成為未來十分有前景的研究方向。

表8 關鍵詞聚類信息

3.3 文獻共被引聚類分析

被引頻次決定著文獻的影響力大小,是反映作者科研水平和學術影響力的直接體現(xiàn)。文獻半衰期別稱文獻半生期,指某學科(專業(yè))現(xiàn)時尚在利用的全部文獻中較新的一半是在多長一段時間內發(fā)表的,能夠評價文獻的老化速度,文獻的半衰期越長,則代表文獻越有價值。由圖7、表9可知,關鍵節(jié)點的文獻多出自以下3個方向:根系分泌物對土壤碳氮的影響;根際的作用或影響;根系分泌物與微生物的相互關系。其中被引頻次最高的國外作者Phillips等于2011年發(fā)表題為“Enhanced root exudation induces microbial feedbacks to N cycling in a pine forest under long-term CO”的文章,該研究對420個完整火炬松(L.)根系分泌物進行原位測量,說明滲出液刺激了微生物活性,加速土壤有機質(SOM)的周轉,發(fā)現(xiàn)在低肥力土壤中,森林對CO升高的持續(xù)生長響應是通過根源C輸入促進的微生物活性和N循環(huán)的增強來維持的。這些變化可能會阻止森林生態(tài)系統(tǒng)中土壤碳的積累。位列第二的美國波士頓大學生物系的Finzi等 使用一個受化學計量限制的微生物分解模型,表明根際效應可以由相對適度的根源C通量引起,分別約占總初級生產和凈初級生產的4%、6%,且根際過程在生態(tài)系統(tǒng)尺度上是廣泛的、定量的、重要的SOM分解和養(yǎng)分釋放驅動因素,對全球碳儲量和植被對氣候的反饋具有潛在影響。位列第三的Keiluweit等發(fā)現(xiàn)一種常見的根系分泌物——草酸,通過釋放與礦物質保護性關聯(lián)的有機化合物,促進碳損失,通過加強微生物對以前礦物保護化合物的接觸,這種間接機制可以加速碳損失。被引頻次第四的Drake等 認為,根系分泌物被認為增加了微生物及其合成的外酶的活性,導致根際土壤中碳礦化和養(yǎng)分循環(huán)的速度加快。微生物生物量和胞外酶的氮含量可能會對微生物有效利用根系分泌物的能力產生化學計量上的限制,特別是如果分泌物富含C但是低N,他們結合微生物活動的理論模型和一個分泌試驗來測試假設土壤微生物利用根分泌物的能力受到額外的生物量和胞外酶合成N的可用性。表明分泌物化學計量學是根際土壤微生物活性的重要驅動因素。被引頻次第五的來自中國科學院沈陽應用生態(tài)研究所森林與土壤生態(tài)國家重點實驗室的Cheng等,他們發(fā)現(xiàn)根際啟動效應(RPE)是植物與土壤功能相互作用的機制,并通過基于微生物生理學的模型模擬,證明微生物對植物不同基質輸入的代謝反應的變化是導致正或負RPEs的可能機制。整體來看,10篇高被引的文獻半衰期都不高,在0.5~3.5年,文獻老化速度較快,也表明根系分泌物的高被引文獻在發(fā)表近 3年具有較高的活力。

表9 共被引聚類關鍵節(jié)點文獻

4 結論

根系分泌物研究領域總發(fā)文量及引用次數均呈逐年遞增趨勢,國內外根系分泌物研究都經歷了前期的探索和發(fā)展、中期的沉淀以及后期快速增長。中外研究側重點不同,基于關鍵詞共現(xiàn)聚類分析,發(fā)現(xiàn)當前國內研究熱點集中在農業(yè)科學方面,如農業(yè)種植模式、不同作物研究、微生物等;國外研究熱點在根系分泌物與土壤碳氮的關系、根際沉積作用、根系分泌物與微生物相互作用以及模型的運用。中外學者在根系分泌物應用研究方面?zhèn)戎攸c不同,各有所長,國內應用方向分支少,主要以農業(yè)生產作物種植為主;國外以土壤生態(tài)配合模型模擬應用到揭示森林等生態(tài)問題機制機理當中。根系分泌物國內未來研究和應用的重點可能在于根系分泌物-土壤-根際微生物對農業(yè)的支撐,為我國推動農業(yè)可持續(xù)發(fā)展提供思路。國外未來研究和應用的重點可能在于根際-根系分泌物-環(huán)境的反應機制及其作用。相關的生物化學、分子生物學、分析化學等交叉學科在未來將會展現(xiàn)其不同優(yōu)勢,以不同途徑推動根系分泌物領域研究的進步。

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